(57)【要約】【課題】核燃料ペレットによってO/M比のばらつきのない、改良されたO/M比の調整が可能な電気炉、及びそれを用いてO/M比をできるだけ低く抑えることができるO/M比の調整方法を提供すること。【解決手段】高速増殖炉サイクルにおける核燃料棒の製造途中で成型された多数の核燃料ペレットを、上下に一定間隔をおいて設けられた多段の焼結皿に配置し、ヒータと雰囲気ガスを用いてそれぞれの核燃料ペレットを焼結する電気炉において、前記焼結皿が前記雰囲気ガスを実質的に流路抵抗なしに通過させるメッシュ状焼結皿で構成され、さらに、前記多段焼結皿の周囲に沿って筒状のガイドが設けられ、該ガイドによって雰囲気ガスが最下段の焼結皿から最上段の焼結皿に順次案内し、各段に配置された核燃料ペレットを焼結する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明の一つの観点に係る核燃料ペレットの酸素対重金属原子数比の調整用電気炉では、高速増殖炉サイクルにおける核燃料棒の製造途中で成型された多数の核燃料ペレットを、上下に一定間隔をおいて設けられた多段の焼結皿に配置し、ヒータと雰囲気ガスを用いてそれぞれの核燃料ペレットを焼結する電気炉において、前記焼結皿が前記雰囲気ガスを実質的に流路抵抗なしに通過させるメッシュ状焼結皿で構成され、さらに、前記多段焼結皿の周囲に沿って筒状のガイドが設けられ、該ガイドによって雰囲気ガスが最下段の焼結皿から最上段の焼結皿に順次案内し、各段に配置された核燃料ペレットを焼結することを特徴とする酸素対重金属原子数比の調整用電気炉。
【請求項２】
高速増殖炉サイクルにおける核燃料棒の製造途中で成型された多数の核燃料ペレットを、上下に一定間隔をおいて設けられた多段の焼結皿に配置し、ヒータと雰囲気ガスを用いてそれぞれの核燃料ペレットを焼結する電気炉であって、前記焼結皿が前記雰囲気ガスを実質的に流路抵抗なしに通過させるメッシュ状焼結皿で構成され、さらに、前記多段焼結皿の周囲に沿って筒状のガイドが設けられ、該ガイドによって雰囲気ガスが最下段の焼結皿から最上段の焼結皿に順次案内し、各段に配置された核燃料ペレットを焼結するように構成された電気炉を用いて、核燃料ペレットの焼結終了時に核燃料ペレットの焼結温度をその昇温速度よりも速い速度で急速降温させることを特徴とする酸素対重金属原子数比の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速増殖炉サイクルにおける核燃料ペレットの製造に用いられる、核燃料ペレットの酸素対重金属原子数比（O/M比）を調整するための改良された電気炉及びそその電気炉を用いた酸素対重金属原子数比の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速増殖炉サイクルにおいて、核燃料棒に装填される核燃料ペレットは、プルトニウム富化度調整されたPu-U混合溶液を、脱硝、転換、そして造粒することにより、または脱硝、造粒、そして転換することにより、MOX粉末化し、そのMOX粉末をペレットに成型した後、焼結することで、O/M比（酸素と重金属元素の原子数の比）を調整する段階を経て製造されている。このような核燃料ペレットの製造方法の一例が、例えば特許文献１（参考文献）に記載されている。そして、本発明に特に関係するO/M比の調整方法については、例えば特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-4883号公報
【特許文献２】特開2002-71864号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高速増殖炉等の炉心燃料では、高燃焼化のための一つの重要な課題に、燃料―被覆管の化学的相互作用の低減がある。MOX燃料では、原子炉内での照射中に燃料の温度分布に起因してPuの再分布が生ずる。そのため、燃料―被覆管の化学的相互作用を低減させるための一つの対策として、O/M比をできるだけ低く抑えると同時にO/M比の調整精度を高める必要がある。
【０００５】
O/M比の低減化については、上述の特許文献２にも記載されているように、従来から様々な方法が試みられている。しかし、一度に焼結される多数の核燃料ペレットのすべてについて、均一かつ安定してO/M比を低減する技術は未だ確立されていない。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、核燃料ペレットのO/M比のばらつきのない、改良されたO/M比の調整が可能な電気炉、及びそれを用いてO/M比をできるだけ低く抑えることができるO/M比の調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
核燃料ペレットのO/M比は、通常、電気炉内に多段に設けられた焼結皿のそれぞれに、多数の核燃料ペレットを一定間隔で配列し、ヒータで1000℃以上に加熱しながら、アルゴン（Ar）や水分を含む雰囲気ガスを多段配置の焼結皿の下方から上方に流し、雰囲気ガスの酸素ポテンシャルを雰囲気ガス中の水分／水素濃度比によって制御しながら核燃料ペレットを焼結することにより、それぞれの核燃料ペレットの酸素対重金属原子数の比を制御している。上述の目的を達成するため、本発明では、上述の電気炉の構造を改良し、雰囲気ガスが電気炉内に配列されたすべての核燃料ペレットに均一に触れるようにしている。また、さらに高精度の製品を得るため、その電気炉を用いて、焼結終了時の核燃料ペレットの焼結温度を急速に制御するようにしている。
【０００８】
本発明の一つの観点に係る核燃料ペレットの酸素対重金属原子数比の調整用電気炉では、高速増殖炉サイクルにおける核燃料棒の製造途中で成型された多数の核燃料ペレットを、上下に一定間隔をおいて設けられた多段の焼結皿に配置し、ヒータと雰囲気ガスを用いてそれぞれの核燃料ペレットを焼結する電気炉において、前記焼結皿が前記雰囲気ガスを実質的に流路抵抗なしに通過させるメッシュ状焼結皿で構成され、さらに、前記多段焼結皿の周囲に沿って筒状のガイドが設けられ、該ガイドによって雰囲気ガスが最下段の焼結皿から最上段の焼結皿に順次案内し、各段に配置された核燃料ペレットを焼結するように構成されている。このような構成を採用することにより、雰囲気ガスが効率的にすべての核燃料ペレットに実質的に均等に与えられるようになる。
【０００９】
また別の観点によれば、本発明は、高速増殖炉サイクルにおける核燃料棒の製造途中で成型された多数の核燃料ペレットを、上下に一定間隔をおいて設けられた多段の焼結皿に配置し、ヒータと雰囲気ガスを用いてそれぞれの核燃料ペレットを焼結する電気炉であって、前記焼結皿が前記雰囲気ガスを実質的に流路抵抗なしに通過させるメッシュ状焼結皿で構成され、さらに、前記多段焼結皿の周囲に沿って筒状のガイドが設けられ、該ガイドによって雰囲気ガスが最下段の焼結皿から最上段の焼結皿に順次案内し、各段に配置された核燃料ペレットを焼結するように構成された電気炉を用いて、核燃料ペレットの焼結終了時に核燃料ペレットの焼結温度をその昇温速度よりも速い速度で急速降温させることを特徴とする酸素対重金属原子数比の調整方法にもある。このような温度制御を行うことで、核燃料ペレットのO/M比を一層改善することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電気炉では、雰囲気ガスが各燃料ペレットに実質的に均一に接触するように導入されるので、核燃料ペレットによってO/M比のばらつきのない、改良されたO/M比の調整ができる。また、焼結終了時に電気炉の温度を急速に降下させるように制御しているので、焼結終了時におけるO/M比の上昇が抑えられ、最終O/M比をできるだけ低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気炉の全体構成を示す概略図である。
【図２】電気炉内の焼結部の従来の構成と一実施形態に係る構成を示す拡大説明図である。
【図３】熱処理中のO/M比の変化を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態について、図1及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電気炉の全体構成を示している。また、図２は、電気炉内の焼結部の従来の構成（a）と一実施形態に係る構成（b）を示している。各図を通して同一または類似の符号は、機能的に同一または類似の構造を指す。
【００１３】
図１の符号１０は、本発明の一実施形態に係る電気炉である。この電気炉１０は、酸素センサー１９などの一部のセンサーや制御機器を除いて、グローブボックス１７の床下に収納されている。１１はグローブボックス外部に設置された炉蓋１８を開くことにより外部に取り出し可能な焼結部である。焼結部１１の周囲を取り囲むようにして焼結部１１全体を加熱するためのヒータ１５が設けられている。さらに、ヒータ１５で加熱し、炉内温度を保つために炉内周囲にリフレクタ（熱反射体）１３が配置されている。また、炉外の温度を６０℃以下にするために、冷却用の水冷ジャケット１４が設けられている。６０℃以下に冷却する理由は、核燃料物質を包蔵するグローブボックス１７と炉の接続部に使用されているパッキン（図示せず）の保護、やけど防止等のためである。温度は熱電対（図示せず）で測定され、制御される。
【００１４】
核燃料ペレットの焼結にあたっては、始めに炉蓋１８を開き、焼結部１１を外部に取り出す。そこで最下段から焼結されるべきペレットを各焼結皿２０a（図２参照）に順次配置し、再び焼結部１１を電気炉１０内の元の位置に戻す。その後、雰囲気ガスを焼結部１１に導入した後、ヒータ１５に通電する。使用される雰囲気ガスは、電気炉１０の下部からガス導入管及び拡散板１２を介して、焼結部１１に導入され、その上部から排出される。焼結部１１の構造及び焼結部１１内での雰囲気ガスの流れについて、図２を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図２（a）の２０aは焼結皿である。また、図２（ｂ）の２０bは、焼結皿２０aに対応しているメッシュ状焼結皿である。両者とも焼結ガスは焼結部１１の下部から導入され、その上部から排出されるようになっている。図２（a）を参照する。従来の焼結部構造では、焼結皿２０aの付近よりも焼結部１１の内壁周辺部の方が、雰囲気ガスの流路抵抗が小さいため、図示のように大半の雰囲気ガスが内壁周辺部を介してそのまま排出され、焼結皿２０a上の核燃料ペレットに直接接触する雰囲気ガスの流れは少なくなっている。従って、焼結皿の中心付近に配置された核燃料ペレットのO/M比は、焼結皿周辺に配置された核燃料ペレットのO/M比に比較して大きくなる傾向があった。すなわち、ペレット毎にO/M比のバラツキが見られた。
【００１６】
一方、図２（b）に示されるように、本発明の一実施形態では、雰囲気ガスの大半を直接ペレットに接触させるため、（１）まず、焼結皿の周囲に円筒状のガイドを設け、雰囲気ガスを焼結皿２０bに集中させる構成にするとともに、（２）焼結皿２０b自体をメッシュ状にしてガスの流路抵抗を低減させると同時に、焼結皿の中心部に配置された核燃料ペレットにも均一に雰囲気ガスが接触するように構成している。このような構成をとることにより、上述した本発明の効果が達成される。なお、上述の説明では、ガイドを焼結皿とは別個に設けるようにしているが、焼結皿自体の周縁を積み重ねるようにして、焼結皿にガイド機能を持たせることもできる。
【００１７】
メッシュ状焼結皿２０b（すなわちガイド２１）は、モリブデンを含む材質で構成される。焼結皿２０bのメッシュ間隔は任意であるが、できるだけ大きい方が良いが、焼結皿が安定して配置できる範囲に限られる。また、この実施形態では、焼結皿２０bの形状及びガイド２１の横断面の形状が、円形になっているが、４角形や５角形などの多角形でもよく、その形状は任意である。
【００１８】
本実施形態においては、雰囲気ガスとして、９５％Arと５％Ｈ２の混合ガスに水分（Ｈ２Ｏ）を含むガスを使用している。しかし、ＭＯＸ燃料のＯ／Ｍ比調整においては、熱処理装置として電気炉等で使用可能なガスであれば、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガスまたは窒素ガスと水素との混合ガスなどであっても良い。また、雰囲気ガスの流量は、電気炉の大きさ等に応じて適宜定められる。
【００１９】
熱処理中の雰囲気ガスの酸素分圧を測定する酸素センサー１９（図１）としては、例えばジルコニア酸素センサ等の市販装置が使用できる。オフガス中の酸素分圧を一定時間ごとに測定し、その値が一定の値となった時点で電気炉等の熱処理装置による加熱を停止して放冷する。
【００２０】
＜試験例＞
O/M比は焼結時間と深い関係を持つが、焼結終了時の降温時にO/M比が上昇する傾向がある。そこで、O/M比が焼結時間の進行に伴ってどのような挙動を示すかを確認するための試験を行った。
【００２１】
図３は、30％Pu-MOX燃料ペレットをH2Oを40ppm含む雰囲気ガスで熱処理した場合のO/M比の変化を説明するためのグラフであって、参照番号41a、41bは熱処理温度の時間変化を、42a、42bはO/M比の時間変化を示している。（a）及び（b）ともに、時間（ｈ）と熱処理温度（℃）との関係、並びに時間（ｈ）とO/M比との関係を示している。（a）は降温速度が600℃/ｈの場合であり、（b）は降温速度が1000℃/ｈの場合である。これらの図から明らかなように、いずれの場合も熱処理時間の終了時点とほぼ同時にO/M比が上昇している。しかし、降温速度が600℃/ｈの場合にはO/M比が最終的に1.959まで上昇するのに対して、降温速度が1000℃/ｈの場合にはO/M比の上昇は1.951までであり、急速降温させることでO/M比を一層低く抑えることができる。
【００２２】
以上本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲を逸脱しない限り、本願の請求項に含まれる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  電気炉
１１  焼結部
２０a  従来の焼結皿
２０b  メッシュ状焼結皿
２１  ガイド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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